邢臺雙套自動站濕度傳感器故障分析

馮志強，施海瑞，賈益超

邢臺市氣象局，河北邢臺 054000

濕度與人的生活緊密相關(guān)，也是重要的氣象觀測要素。隨著氣象業(yè)務(wù)現(xiàn)代化的深入，新型自動氣象站等智能設(shè)備不斷投入業(yè)務(wù)使用。雙套自動站為保證常規(guī)七要素的現(xiàn)用新型動站數(shù)據(jù)缺失后，使用備份站數(shù)據(jù)進行替代。備份站數(shù)據(jù)是否正常也很重要。濕度傳感器是新型自動氣象站不可缺少的一部分，邢臺地區(qū)主要使用的濕度傳感器型號是DHC2型和DHC1型。有人使用3MS計量檢定系統(tǒng)對各100支DHC2型和DHC1型2種氣象用溫濕度傳感器的濕度性能進行對比試驗，試驗表明，相較 于DHC2型，DHC1型 正反行程中正負誤差所占比重變化相對平緩，但高濕時正誤差率大，更容易出現(xiàn)高濕不退的情況；2種傳感器濕度的平均誤差曲線趨勢基本一致，DHC1型平均誤差-1.23% RH～0.72% RH，DHC2型平均誤差-2.56% RH～0.55% RH[1]。濕度傳感器測量部分經(jīng)過長期使用，空氣中的灰塵堆積、化學(xué)物質(zhì)腐蝕、電器老化等因素，造成傳感器測量值在某些環(huán)境下會產(chǎn)生漂移，從而導(dǎo)致相關(guān)氣象要素測量值失真或者缺測[2-4]。邢臺市氣象探測中心通過氣象臺站觀測要素實時數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控服務(wù)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)主備站對比邢臺隆堯氣象局主備站DHC2型和DHC1型濕度傳感器數(shù)據(jù)差值超過20% RH，遠遠超出傳感器平均誤差最大允許誤差范圍。

1 濕度傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)

濕度傳感器的測濕元件是采用電容式薄膜聚合物感應(yīng)元件，濕敏電容具有感濕特性的電介質(zhì)，其介電常數(shù)隨相對濕度變化而變化，從而完成對濕度的測量。濕敏電容主要有濕敏電容和轉(zhuǎn)換電路2個部分，由上層電極、濕敏材料、下層電極、玻璃基片幾部分組成。濕敏電容傳感器上電極是一層多孔膜，能透過水汽，下電極為一對電極，引線由下電極引出，基板是玻璃。濕敏材料是一種高分子聚合物，它的介電常數(shù)隨著環(huán)境相對濕度的變化而變化。

當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生變化時，濕敏元件電容量隨之發(fā)生改變，即當(dāng)相對濕度增大時，濕敏電容量隨之增大，反之減小。傳感器的轉(zhuǎn)換電路把濕敏電容變化量轉(zhuǎn)換成電壓量變化，對應(yīng)于濕度0~100% RH 的變化，傳感器的輸出呈0~1 V的線性變化，電壓與濕度呈線性正比關(guān)系，其計算公式如下：

RH（相對濕度）=U（傳感器輸出電壓）×100%

DHC1型濕度傳感器測量采用ROTRONIC AG公司最新生產(chǎn)的電容式濕度探頭，三線制輸出。傳感器由濕度探頭、溫度探頭、殼體、連接電纜4個部分構(gòu)成，具有集成度高、微功耗、智能化、高可靠、易維護等特點（圖1）。

圖1 DHC1型濕度傳感器外形結(jié)構(gòu)示意圖

DHC2型濕度傳感器采用芬蘭維薩拉公司的HUMICAP180R高精度濕敏電容，傳感器由防護過濾罩、保護蓋及M12型的8針插座組成。防護過濾罩采用聚四費乙烯材料制成，其具有保護濕敏電容、薄膜免受污染并提供良好透氣性（圖2）。DHC2型濕度傳感器具有可靠性能高、準(zhǔn)確度好、適應(yīng)性強、維護方便等特點。

圖2 DHC2型濕度傳感器外形結(jié)構(gòu)示意圖

DHC1型與DHC2型濕度傳感器技術(shù)參數(shù)比較，測量范圍、分辨力、最大允許誤差、時間常數(shù)、輸出信號、工作溫度范圍全部相同，僅在電器性能功耗上有所不同，DHC1型為100 mW、DHC2型為36 mW。DHC2型濕度傳感器比 DHC1型濕度傳感器功耗更低，可以節(jié)省能源。

2 故障現(xiàn)象

邢臺市隆堯氣象局現(xiàn)在使用雙套氣象自動站運行，分別為江蘇無線電研究所有限公司DZZ4上傳站的DHC2型濕度傳感器與CAWS600-B備份站中環(huán)天儀氣象儀器有限公司DHC1濕度傳感器。當(dāng)DZZ4上傳站濕度出現(xiàn)數(shù)據(jù)問題，需要使用CAWS600-B備份站濕度數(shù)據(jù)進行代替。通過監(jiān)控軟件發(fā)現(xiàn)DZZ4上傳站與CAWS600備份站濕度數(shù)據(jù)相差很大。觀察2022年2月8日濕度對比數(shù)據(jù)表發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高濕情況下DHC1濕度數(shù)據(jù)晚上到達飽和后，下降比較緩慢，與主站DHC2濕度數(shù)據(jù)對比差值在20% RH以上。當(dāng)?shù)蜐袂闆r下主站數(shù)據(jù)DHC2與備份站數(shù)據(jù)DHC1對比差值變小，趨于正常誤差。低濕情況下很難發(fā)現(xiàn)的濕度故障十分隱蔽。

表1 隆象局2022年2月8日濕度數(shù)據(jù)對比表 % RH

3 故障分析

當(dāng)濕度傳感器出現(xiàn)常規(guī)故障時，第一要檢查業(yè)務(wù)軟件與采集器相關(guān)參數(shù)設(shè)置是否正確。如業(yè)務(wù)軟件參數(shù)設(shè)置是否正確、采集器的溫濕分采是否啟用以及輸入SENST U查看主采集器是否啟用濕度傳感器。

第二，外觀檢查。查看主備站濕度傳感器外觀沒有變形，過濾網(wǎng)是否有灰塵堆積。

第三，線纜情況檢查。檢查線纜插頭是否牢固，有無松動脫落，依次排查從濕度傳感器到主采集器的線路是否破損。

第四，供電與傳感器檢查。濕度傳感器主要由濕敏電容和轉(zhuǎn)換電路兩部分組成。濕敏電容的電容量經(jīng)外圍電路轉(zhuǎn)換后輸出電壓信號。電壓與濕度成線性正比關(guān)系。用萬用表20 V DC檔測量CAWS600備份站6、7腳之間的電壓為12 V DC左右，這是濕敏電容正常工作時的工作電壓范圍。測量FL-1防雷板5和7腳之間的電壓，濕度輸出為0.65 V，對應(yīng)于相對濕度 65%。用萬用表20 V DC 檔測量氣溫多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器至主采集器的供電電壓，應(yīng)在12 V左右。使用2 V DC檔在DZZ4主站氣溫多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器測量濕度輸出為0.8 V，對應(yīng)于相對濕度80%。傳感器輸出信號的電壓與濕度顯示一致，說明采集器與線路都工作正常，這時應(yīng)該懷疑兩個濕度傳感器中有一個出現(xiàn)錯誤。通過軟硬件檢查，軟件設(shè)置正確傳感器運行正常，2個濕度傳感器高濕偏差大，無法判斷哪個濕度傳感器出現(xiàn)偏差。

第五，通過實驗室鑒別法分析濕度傳感器故障。

3.1 試驗設(shè)備

本次試驗采用中國華云升達公司生產(chǎn)的GRZ5301濕度檢定箱、多通道濕度傳感器數(shù)據(jù)采集裝置、佐格精密露點儀DM2000等試驗裝置組成。GRZ5301濕度檢定箱濕度場均勻度0.8% RH（@20℃），箱內(nèi)濕度場波動控制在±0.3% RH/30 min。此試驗裝置設(shè)置相應(yīng)濕度點，自動采集記錄標(biāo)準(zhǔn)器與被測量的濕度傳感器的數(shù)據(jù)。被測的濕度包括DHC2型濕度傳感器、DHC1型濕度傳感器以及DHC1備件濕度傳感器共3個濕度傳感器。

3.2 試驗方法

本次試驗方法參照J(rèn)JG（氣象）003—2001自動氣象站濕度傳感器檢定規(guī)定中相關(guān)規(guī)定。濕度檢定箱采用智能高精度的PID溫控技術(shù)，控制溫度在20℃下選取濕度點，濕度點分別選取30% RH、40% RH、55% RH、75%RH、95% RH共5個，濕度采用蒸汽加濕法和制冷除濕技術(shù)，能快速濕度控制先升濕后降濕，每個試驗點結(jié)束后自動進行下一點進行檢測。先從濕度點30%RH到高濕95% RH進行測量，叫濕度的正程檢測，反之為反程檢測。

3.3 試驗計算方法

標(biāo)準(zhǔn)器3次測量平均值為標(biāo)準(zhǔn)值，被檢定濕度3次測量平均值作為測量值。被檢測量值減去標(biāo)準(zhǔn)值，得出檢定點的測量誤差。計算方法如下：

式中：Δhi—= 被hi檢?h濕s度傳感器在各檢定點上的測量誤差（% RΔHh）i=；—? 被hs檢濕度傳感器在各檢定點上3次輸出值的平均值（%）；—精密露點儀在各檢定點上3次測量值的平均值（% RH）。

3.4 試驗數(shù)據(jù)分析

對更換下主備站濕度傳感器與一個備件DHC1濕度傳感器進行編號并試驗。試驗數(shù)據(jù)見表2，濕度傳感器分為正、反行程，共檢測三個濕度傳感器，分別標(biāo)為備份站（DHC1）、主站（DHC2）、備件（DHC1）。

根 據(jù)JJG（氣 象）003—2001自 動氣象站濕度傳感器檢定規(guī)定中要求誤差允許“當(dāng)濕度≤80% RH時，最大允許誤差為±4% RH；當(dāng)濕度＞80%RH時，最大允許誤差為±8% RH”。由表2數(shù)據(jù)分析可知，備份站濕度傳感器在到正程75% RH時與標(biāo)準(zhǔn)器出現(xiàn)9.7的誤差，在反行程時55% RH、75% RH 2個試驗點分別出現(xiàn)6.9、24.4的誤差，備份站（DHC1）濕度傳感器的誤差值24.4遠遠超過了最大允許誤差。備份站濕度傳感器在30% RH、40% RH 2個試驗點的正反程誤差都在正常誤差范圍內(nèi)，表明備份站濕度傳感器低濕環(huán)境時工作正常。備份站（DHC1）濕度傳感器反程時，相對濕度一直達到飽和狀態(tài)，下降十分延遲。主站（DHC2）在到正反程95% RH時出現(xiàn)誤差相對于30% RH、40% RH、55% RH、75% RH檢測點偏大，但在最大允許誤差范圍內(nèi)，其他檢測點誤差值都正常。備件（DHC1）濕度傳感器是未使用的新傳感器，與標(biāo)準(zhǔn)器正反程誤差值都在最大允許誤差范圍內(nèi)，檢測數(shù)據(jù)表現(xiàn)良好。

表2 主備站濕度傳感器的試驗數(shù)據(jù) % RH

4 結(jié)論

邢臺市使用的雙套自動站以主站數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，備份站數(shù)據(jù)為補。主站數(shù)據(jù)缺測后可用備份站數(shù)據(jù)代替，所以要保證兩套自動站數(shù)據(jù)差值在合理的范圍內(nèi)。本文通過對一次雙套自動站DHC2型和DHC1型2種濕度傳感器數(shù)據(jù)相差太大的維修，詳細講解濕度傳感器的維修過程，最后通過實驗室鑒別，發(fā)現(xiàn)備份站（DHC1）濕度傳感器75% RH反程超差故障。隨著濕度傳感器使用時間增加，空氣中一些粉塵和化學(xué)物質(zhì)會腐蝕濕敏電容和堵塞過濾網(wǎng)，所以值班員要經(jīng)常觀察在低濕高濕情況下雙套自動站濕度數(shù)據(jù)差值變化，濕度數(shù)據(jù)差值一定要在合理的范圍內(nèi)。還需要定時進行自動站濕度傳感器維護，DHC1型濕度傳感器每次巡視儀器都要從外觀上看過濾網(wǎng)是否堵塞和破損，取下保護套使用軟毛刷擦拭干凈。DHC2型濕度傳感器清潔傳感器探頭，需要使用沾有適度去污劑的柔軟無絨布擦拭，根據(jù)不同傳感器型號特點，錯開整點數(shù)據(jù)采集時間進行相應(yīng)的維護。